【正文】 ...................................................................................................... 44 三、源程序 ................................................................................................................................. 51 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 前 言 溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程都與溫度密切相關(guān)。 設(shè)計(jì)之后系統(tǒng)穩(wěn)定性好、精度高、魯棒性強(qiáng) 。加熱爐溫度 控制系統(tǒng) 是一個(gè)大慣性系統(tǒng)，一般采用 PID 算法進(jìn)行控制， 運(yùn) 用 PLC 梯形圖編程語(yǔ)言進(jìn)行編程， 對(duì)鍋爐工作過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制 。 本文介紹了基于 西門(mén)子公司 S7－ 200 系列 PLC 的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 ， 詳細(xì)分析了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì) 。 提供全套，各專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 編 號(hào)： 審定成績(jī)： 啊啊啊啊 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 設(shè)計(jì)（論文）題目： 基于西門(mén)子 S7200系列 PLC工業(yè)加熱爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué) 院 名 稱 ： 啊啊啊啊啊 學(xué) 生 姓 名 ： 啊啊啊 專 業(yè) ： 啊啊啊啊啊啊啊啊 班 級(jí) ： 0000000 學(xué) 號(hào) ： 0000000000 指 導(dǎo) 教 師 ： 啊啊啊 答辯組 負(fù)責(zé)人 ： 啊啊啊 填表時(shí)間： 2020 年 5 月 啊啊啊啊 大學(xué)教務(wù)處制 誠(chéng)信承諾書(shū) 本人慎重承諾和聲明： 本人在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）過(guò)程中遵守學(xué)校有關(guān)規(guī)定，恪守學(xué)術(shù)規(guī)范，在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成，沒(méi)有剽竊和抄襲他人的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)、思想和成果，未篡改研究數(shù)據(jù)，若有違規(guī)行為的發(fā)生，我愿接受學(xué)校處理，并承擔(dān)一切法律責(zé)任。 論文作者 簽名： 年 月 日 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 摘 要 隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展 ， 傳統(tǒng)繼電器控制技術(shù)必然被基于計(jì)算機(jī)技術(shù)而產(chǎn)生的可編程 邏輯 控制器 （ PLC） 控制技術(shù)所取代 ， 而 PLC 本身優(yōu)異的性能使基于 PLC 控制的溫度控制系統(tǒng)變 得 經(jīng)濟(jì) 、 高效 、 穩(wěn)定且維護(hù)方便。 控制系統(tǒng)采用 PC+PLC 的主從控制結(jié)構(gòu) ， 組成一種經(jīng)濟(jì)可靠的工業(yè)加熱爐 溫度 控制系統(tǒng) 。利用組態(tài)軟件組態(tài)王設(shè)計(jì)上位機(jī)界面， 實(shí)現(xiàn) 控制系統(tǒng) 的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù) 的實(shí)時(shí) 采 樣 與處理 ，并 可以實(shí)現(xiàn)友好的用戶界面 ， 是一種具有 一定 應(yīng)用價(jià)值的實(shí)時(shí)溫度控制系統(tǒng) 。 【 關(guān)鍵詞 】加熱爐 PLC PID 溫度控制 上位機(jī) 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II ABSTRACT With the development of the puter control technology， the traditional relay control technology must be replaced necessarily by the programmable logic controller（ PLC） control technology which generates based on puter technology， and PLC has excellent performance what makes the temperature control system with PLC technology bee more economic， more efficient， more stable and easily maintain． This thesis introduces a design technique of the temperature control system with SIMATIC S7－ 200 series PLC， details the hardware design and the software design of the system． This control system adopts PCamp。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的諸多領(lǐng)域中，溫度控制占有著極為重要的地位。所以在現(xiàn)代工業(yè)控制中，選用 PLC 對(duì)溫度進(jìn)行控制將是大多數(shù)人的選擇。對(duì)于工業(yè)加熱爐控制系統(tǒng)，從分析對(duì)象要求，形成設(shè)計(jì)思想，選用設(shè)備，編寫(xiě)并優(yōu)化程序，在本論文中都會(huì)得到詳細(xì)和完整地論述。期間，它從低級(jí)到高級(jí)，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜。自 70 年代以來(lái)，由于工業(yè)過(guò)程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展下，還有在自動(dòng)控制理論與設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)外的溫度控制系統(tǒng)迅猛發(fā)展，并且在職能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得了不錯(cuò)成果。溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從生產(chǎn)的溫度控制器來(lái)講，我國(guó)總體發(fā)展水平仍然不高， 同日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比有著較大差距。而適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟。 二、溫度控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì) 當(dāng)前比較流行的溫度控制系統(tǒng) [1]有基 于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，基于 PLC的溫度控制系統(tǒng)，基于工控機(jī)（ IPC）的溫度控制系統(tǒng)，另外還有集散型溫度控制系統(tǒng)（ DCS），現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（ FCS）等。當(dāng)然，在實(shí)際運(yùn)用中，為了達(dá)到更好的控制效果，可以采取多個(gè)系統(tǒng)的集成，做到互補(bǔ)長(zhǎng)短。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第二節(jié) 研究?jī)?nèi)容與任務(wù) 加熱爐由內(nèi)膽、夾套及附屬的加熱電阻絲組成。于是，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)加熱電阻絲兩端的電壓，加熱控制內(nèi)膽水溫，進(jìn)而控制夾套水溫。其性能優(yōu)越，已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱（ PLC、工業(yè)機(jī)器人、 CAD/CAM）之一。 串級(jí)系統(tǒng) [2]是由調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來(lái)工作，整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，即主回路和副回路，其中一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。二次擾動(dòng)作用在副被控過(guò)程上，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。系統(tǒng)配置一臺(tái)上位監(jiān)控 PC 機(jī)， PC 機(jī)安裝有北京亞控公司的“組態(tài)王”監(jiān)控組態(tài)軟件，通過(guò) USB－ PPI 編程電纜同 PLC 的 RS485 串行接口進(jìn)行通訊。尤其以日本，美國(guó)，德國(guó)，瑞典為代表，它們的技術(shù)遙遙領(lǐng)先，并且已經(jīng)生產(chǎn)出商品化，性能高的溫度控制器及儀器儀表。目前國(guó)內(nèi)有基于單片機(jī)的、 PLC 的、 IPC 的溫度控制系統(tǒng)，還有集散型、現(xiàn)場(chǎng)總線溫度控制系統(tǒng)。 通過(guò)運(yùn)用串級(jí)系統(tǒng)的思想與 PLC 技術(shù)，以及對(duì)系統(tǒng)硬件、軟件和上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，使得加熱爐溫度控制系統(tǒng)達(dá)成預(yù)定目標(biāo)，即主、副控制器采用 PID控制算法，實(shí)時(shí)計(jì)算控制量，手動(dòng)整定 PID 參數(shù)，控制調(diào)壓裝置及加熱電阻絲兩端電壓，使夾套溫度能夠穩(wěn)定在設(shè)定溫度值的附近，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟動(dòng)和停止，運(yùn)行指示燈實(shí)時(shí)監(jiān)控控制系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前內(nèi)膽溫度值與夾套溫度值。 設(shè)計(jì)方案是對(duì) PLC 進(jìn)行編程來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體控制；溫度變送器采集夾套和內(nèi)膽溫度信號(hào)；兩個(gè)常開(kāi)按鈕分別對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行與停止進(jìn)行手動(dòng)控制；指示燈用來(lái)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；模擬量擴(kuò)展模塊承擔(dān)兩個(gè)模擬量輸入和一個(gè)模擬量輸出的任務(wù)；調(diào)壓裝置根據(jù)模擬量擴(kuò)展模塊的輸出信號(hào)對(duì)加熱爐內(nèi)電阻絲兩端電壓進(jìn)行控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制 [6]。 二、硬件設(shè)計(jì)方案 硬件基本構(gòu)成有 PLC 部分、模擬量 擴(kuò)展模塊、調(diào)壓裝置、溫度變送器、電加熱鍋爐（內(nèi)含加熱電阻絲）、啟動(dòng) /停止按鈕與指示燈七個(gè)部分組成 [7]。通過(guò)啟動(dòng)和停止產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)量數(shù)字信號(hào)來(lái)控制系統(tǒng)運(yùn)行與停止，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制的功能。 三、軟件設(shè)計(jì)方案 軟件基本結(jié)構(gòu)由主 /副 PID 控制器控制對(duì)象溫度。其控制回路組成圖如圖 所示： 圖 溫度串級(jí)控制系統(tǒng) 流程圖如圖 所示： 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 系統(tǒng)流程圖 四、上位機(jī)設(shè)計(jì)方案 使用組態(tài)軟件組態(tài)王設(shè)計(jì)出能反應(yīng)系統(tǒng)的組成；系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；顯示加熱爐實(shí)時(shí)溫度；手動(dòng)啟、停系統(tǒng)；設(shè)定期望溫度值的工程。 PID 控制器問(wèn)世至今已有近 80 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合使用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。 積分（ I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入 誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。 微分（ D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（ Delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。 圖 帶 PID 控制器的閉控制系統(tǒng) 如圖 所示， PID 控制器可調(diào)節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。式（ 2－ 2）離散化的規(guī)律如表 所示： 表 模擬與離散形式 模擬形式 離散形式 )()()( tctrte ?? )()()( nrne ?? ?t dtte0 )( ??ni iet 0 )( dttde)( t nene )1()( ?? 所以 PID 輸出經(jīng)過(guò)離散化后，它的輸出方程為： 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 )()()()]}1()([)()({)(0 nunununeTieTtneKnu dipdniip ???????? ?? （ 24） 式中， )()( neKnu pp ? —— 比例項(xiàng) ???niipi ieTtKnu0 )()(—— 積分項(xiàng) )]1()([)( ??? neTKnu dpd—— 微分項(xiàng) 上式中，積分項(xiàng)是包括第一個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期的所有誤差的累積值。 所以在 PLC 中，上面三個(gè)式子可以近似 [9]為： )()( nnpp PVSPKnu ?? —— 比例項(xiàng) )1()()( ???? nuPVSPTtKnu innipi—— 積分項(xiàng) )]()[()(11 ?? ???? nnnndpd PVSPPVSPtTKnu—— 微分項(xiàng) 式中， nSP —— 采樣時(shí)間 n 的輸入量（回路設(shè)定值） ， nPV —— 采樣時(shí)間 n 的反饋量（回路過(guò)程值） 第三節(jié) 本章小結(jié) 經(jīng)過(guò)研究控制對(duì)象及要求，決定從硬件、軟件和上位機(jī)三個(gè)方面來(lái)研究。后面幾章是遵循這種思路，做了詳細(xì)地描述。 二、各組成部分的任務(wù) 按鈕和指示燈 運(yùn)行指示燈顯示運(yùn)行狀態(tài)。按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，運(yùn)行指示燈點(diǎn)亮；按下停止按鈕，系統(tǒng)停止運(yùn)行，運(yùn)行指示燈熄滅。 調(diào)壓裝置和電加熱鍋爐 電加熱鍋爐是 PLC 控制對(duì)象的容器。 可編程邏輯控制器及模擬量擴(kuò)展模塊 可編程邏輯控制器對(duì)讀取到的溫度數(shù)字量進(jìn)行標(biāo)度變換處理，得到實(shí)際的溫度 值；另一方面，經(jīng)過(guò)標(biāo)度變換處理得到的實(shí)際溫度值，和給定的溫度值進(jìn)行計(jì)算處理，計(jì)算采用 PID 控制算法。 啊啊啊啊 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第二節(jié) AE2020 型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 一、電加熱鍋爐 由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式外循環(huán)不銹鋼鍋爐冷卻夾套組成，內(nèi)膽與夾套沒(méi)有水的交換 ，可以利用它進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)。通過(guò)熱傳遞的方式，將熱量由溫度高的內(nèi)膽水傳到溫度低的夾套水中去。夾套有另一套進(jìn)水口和出水口，可以將冷水從進(jìn)水口注入，在夾套內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，吸收熱傳遞的熱量，以此提升水溫，最終由出水口流出，獲得期望溫度的熱水。 二、溫度變送器 溫度變送器 采用熱電偶、熱電 阻作為測(cè)溫元件，從測(cè)溫元件輸出信號(hào)送到變送器模塊，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓濾波、運(yùn)算放大、非線性校正、 V/I 轉(zhuǎn)換、恒流及反向保護(hù)等電路處理后，轉(zhuǎn)換成與溫度成線性關(guān)系的 標(biāo)準(zhǔn) 電信號(hào)輸出 。常用的 PT 電阻接法有三線制和兩線制 [11]，由于